生活中的感官引擎—化學材料傳感器*

藺延潔，趙曉雪，宗喆昊，楊湘瑩，趙微微，姜紅波

(寶雞文理學院化學化工學院，陜西 寶雞 721013)

在社會穩定發展和經濟快速增長的前提下，傳感器的發展愈發多元化、集合化、普及化。作為一個必需的電器元件，其自身較強的優勢，以及應用于化工生產、電氣機床、汽車電子技術、家用電器智能化等領域如虎添翼的性能表征，成為了經濟高質量增長的又一個里程碑。人們對于智能化設備與數字化終端的認識已不僅僅停留在發展與應用的層面之上，還上升到創新與普及的新高度，譬如機器人的研究。科技的迅猛發展與卓越創新，使得影視化視角的機器人技術已逐漸滲透進眾人的工作與家庭。根據人們不同的年齡階段與需求，機器人智能化可發揮出其特定作用。正應如此，在給予它精密繁冗的計算編碼外，還需賦予它供其發揮作用的靈活身體[1]。為達到對環境有高度敏銳感官的目的，傳感器技術不可或缺。

1 化學材料傳感器概述

1.1 傳感器定義與分類

傳感器主要由四部分組成，分別為敏感元件、 轉換元件、 變換線路以及輔助電源[2]。通俗來講，就是將一些所接收到的物理信息、 化學信息、 生物信息等轉化為電信息，最終輸出此信號，以完成信息的轉化工作。 而對于化學材料傳感器，其對應的轉換中樞一般為一些光電化學材料，如無機、 有機和復合材料等[3]。

傳感器可對環境進行大規模、可持續的實時監控，則其不同的種類發揮著不同的作用[4]。以物理參數為標準，其主要分為四大類：電阻傳感器、電感傳感器、電容傳感器和光電傳感器[5]。又根據工作原理不同，將其分為物理、化學和生物類傳感器。其中，對于化學類傳感器的應用較為普遍且常見的是一種以無機化學材料為感官元件的位移傳感器其工作原理如圖1所示：

圖1 模擬位移類傳感器工作示意圖

為模擬位移類傳感器工作原理，擬合了圖1示意圖。無機化學材料A在直線軌道上移動，帶動滑動變阻器金屬桿P的移動。裝置上方有一電壓表，根據電表的讀數可以反應位移M的變化情況。

1.2 光電化學傳感器

在所有化學材料傳感器中，光電化學傳感器(PEC)使用最為廣泛。它是在電化學傳感器基礎上發展起來的，主要用于研究光電化學物質的光電轉換機理及相關應用[6]。在科研方面，對于光電化學傳感器的研究方向諸多。

過氧化氫作為一種人體代謝的活性產物，對它的含量監控與檢測關系人們的生命健康財產安全。在傳統的光電傳感器檢測過程中，常伴有周期長、信噪低等問題，對于輸出信號的靈敏度大打折扣[7]。于是，科研人員研究出來一種新型的納米團簇材料，將光電化學分析與人體免疫反應很好的結合在一起，通過輸出信號的物理表征來實現對過氧化氫含量的有效檢測[8]。這種新型化學材料傳感器的研發使得傳統難題有了突破性的進展，在解決含量監控問題的同時，也為監控人體其他能量數據提供了新動力。

2 化學材料傳感器的技術發展及應用

2.1 傳感器技術

在業界，傳感器被認為是一種可以接收不同類型的信號，并按照一定轉換程序將所接收到的特定信號轉換為可用輸出信號的一種元件的統稱[9]。擁有化學材料配置的傳感器類型，尤其在化工生產與反應器制造當中，已成為其不可或缺的核心技術。社會的穩定發展，促進了傳感器技術的高智能化與普及化。現如今，我國的化學材料傳感器已基本發展成熟，擁有完備的體系與大量的應用經驗。

2.2 化學材料傳感器實際應用

以上對傳感器的詳細概述，已為化學材料傳感器的實際應用情況做好了鋪陳。技術的革新與發展往往建立在經濟與民生的基礎之上，所以對于傳感器中化學材料配置的研究以及創新，是科研人員始終攻克的成果與難關。

應用于海洋環境檢測。海洋作為一個物種繁多的生態系統，其內部環境復雜，生態體系雜亂交織，因此在保護物種多樣性的同時能快速且便捷的檢測出其復雜環境變得尤為重要。基于這一原因，多年以來，國內外眾多研究學者投身于海洋環境檢測數字化終端的研究事業中。此技術主要依賴于計算機技術、通信技術、電子技術、傳感器技術和材料科學技術的支持[10，11]。因海洋環境檢測的復雜性與技術的特殊性，化學材料傳感器的應用更為普遍，且制作工藝更為困難。

就目前而言，海洋環境檢測往往通過一些物理參數進行表征。然而無論是調查船還是固定觀測平臺，受海水的流動性影響，只要測量的時間不同，即使在同一個區域或同一個測量點，海上溫度、鹽度等水文要素和溶解氧、pH、葉綠素、營養等生物化學要素，其獲得的測量數據不盡相同，且不可重復測定[12]。此時，一些化學材料配置的傳感器元件被用來捕捉實時的有效信息，且其特殊的材質與反應閾值也可滿足敏銳并迅速的監察要求。例如通過校準濁度傳感器與pH傳感器，表征出電壓等物理參數，以及使用分子印記熒光傳感器，監測海洋環境污染指數，以此實現實時監控并保護海洋的目的[12，13]。

作為一個海洋大國，建立海洋環境立體監測體系是我國一項戰略目標，多年來一直致力于對未知水下目標進行研究以及進行海上工程試驗驗證[14，15]。在實現此項復雜困難的項目與目標的過程中，離不開化學材料傳感器的運作與支持。

應用于醫學領域。在現代醫學領域，醫用傳感器的發展過程大致可分為三個階段：結構傳感器、固體傳感器和智能傳感器[16]，并且多年以來，科研人員致力于研究并發展功能性材料傳感器智能化，已實現從傳統配置到新型功能的轉變。其在高血壓測量監護、心臟病監測、糖尿病治療以及癌癥治療方面有了卓有成效的突破。除此之外，在運動學的康復治療學領域，此類傳感器技術在治療技術與感官服務方面為其提供了更新的思路[16，17]。以康復學中的健康醫療為例，對新型智能傳感器在醫療界的創新與發展進行詳細介紹。

在物質條件相對豐富的今天，人們逐漸開始重視身體的亞健康狀態，以此康復學的興起成為近幾年來人們廣泛關注的話題。以東南沿海城市為例，各種精密儀器和科研資源的購置與投入加速了新型健康醫療的迅猛發展。截至目前，我國已具備了基本完備的康復治療體系，并在此基礎之上仍處于穩步發展的狀態。由此，對于表征數據并以此來反映其身體機能運行情況的設備研究成為了現代醫療機構的熱點。

就我國人口老齡化日趨嚴重的問題，疾病早期診斷、便攜式醫療器械等方面受到愈發強烈的重視，其中就包括聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)的發展與創新[18]。SAW作為一種化學器件，在通信傳播領域應用廣泛。相對于大型昂貴，不方便攜帶與家用的醫療器械，SAW這種小型的醫療電子設備大受歡迎[19]。不論是用于檢測家中老人身體機能情況，或是野外救援工作，在一定程度上，都為大眾的生命安全提供了更良好優質的服務。此外，由技術人員創新發展的柔性應變傳感器同樣得到了廣泛關注與運用，較SAW不同的是，其主要服務于電子皮膚、人機界面、生理信號檢測等領域[20-22]。總之，無論處于哪個醫學領域，化學材料的傳感器發展與創新極大改善了人們的生活質量，提高了科技為人民服務的能力。

應用于智能手機。傳感器自身對環境的感知情況，與“讀心術”原理有異曲同工之妙。多年來，Facebook公司致力于研發“讀心”科技，旨在通過意念來控制光標，無需鼠標操作[23]。此類科技類似于如今隨處可見的智能設備，尤其表現在人們觸手可及的智能電子設備。

當今社會，手機作為人們最熟悉的電子產品，被譽為21世紀最便捷的掌上電腦。隨著經濟的快速增長，科技水平的大幅度提升，市場流通的手機種類層出不窮。以華為公司新推出的mate 60pro智能手機為例，其功能材料性傳感器類型包括光線傳感器、指紋傳感器、陀螺儀等[24]，這些多方面的性能特點強化成為了傳感器技術發展的又一大里程碑。隨著制作工藝的不斷發展，手機由最初的通話、通信和上網功能發展到如今數字化終端設備，其內部集成了更多的傳感器，為用戶提供了更優質的服務，其中被大眾熟知并經常性使用的就是其位置服務[25]。現如今，人們的出行旅游已離不開定位導航功能，位置服務系統成為手機中最重要的功能之一。

智能手機的普及是21世紀通信技術最卓越的成就之一，它的普及與使用影響著每一個人[26]。無論是在軍事國防當中充當的“偵察兵”角色，還是普通到日常攝影與麥克風通話，傳感器元件都能將所接收到的模擬、數字等信號轉化為電信號，實現偵查與錄制等功能[26，27]。

應用于家用電器。在數字化普及的作用下，化學材料傳感器同樣被廣泛的應用于家用電器的方面，且多為無機金屬材料。多年來，人工智能實現了突飛猛進的發展，家居也逐漸的實現智能化，為人們的生活提供著前所未有的便利[28]。圖2所示為簡單模擬傳感器在家居智能化中的工作流程：

以家用電飯煲為例，用溫度傳感器模擬這一運行流程，此類溫度傳感器元件的組成材料多為無機金屬類型。當加熱溫度達到一定時，電飯煲中的溫度傳感器元件會感知到一定的溫度限度，此時溫度為輸入的物理信息。其會立即跳閘并中止運行，這一環節快速的完成了能量轉換，以此避免了溫度持續上升，超過最大閾值所造成的安全隱患[28]。

隨著互聯網技術的發展，家用電器的智能化已經逐步實現，如“小愛同學”、小度智能音響、掃地機器人、洗碗機、智能馬桶等。傳感器技術在家電中的應用已高度成熟，在便利人們生活的同時，也實現了高效節能的環保目標。因為目前提倡低碳節能，所以未來家電產品的發展方向將是通過計算機技術實現環保控制[29]。

3 結語

21世紀的數字化產品不可勝數，信息技術的三大支柱：計算機技術、傳感器技術和通信技術，均占據著舉足輕重的地位[30]。以國內基本成熟的計算機技術為例，如果將它比作人類大腦衍生的高級芯片，傳感器技術可看作人類感官系統的擴展，而化學材料傳感器則是一種高敏銳度的感官拓展。在不久的未來，傳感器技術會不斷提升，會更廣泛并高效的應用于化工、醫療、教育、機電、漁業等各方各面。在此基礎之上，如何更好的發展并普及好這項前瞻性技術，是青年一代科研工作者重點關注的問題之一。